大葱雄性不育的研究和应用进展

康香辉，安进军，袁瑞江，王丽乔

（河北石家庄市农林科学研究院，050021）

大 葱 （Allium fistulosumL.var.gigantumMakino）属于葱科葱属作物，起源于中国西部和西伯利亚地区，经野生葱驯化而来。目前主要栽培于中国、韩国、日本、马来西亚、菲律宾和印度尼西亚。大葱在我国有2 600多a的栽培历史，作为一种绿色保健蔬菜以及调味品而深受人们的喜爱[1]。大葱自交衰退严重，且杂交优势明显，但其杂交育种研究起步较晚，直到20世纪70年代日本西村米八在自然群体中发现了雄性不育株，大葱杂交育种才得以开展，并进行深入研究[2～7]。

雄性不育（male sterility）是指雄性器官发育不良，失去生殖功能，导致不育的特性，在植物界普遍存在，据统计已在43个科162个属617个物种及种间杂种中发现了该现象。雄性不育系的发现避免了人工去雄的复杂过程，是杂交制种的一种高效途径[8]，已作为重要手段用于各种作物的杂交育种中，尤其是自花授粉作物和常异花授粉作物杂交[9]。

1 大葱雄性不育的类型

由于植物雄性不育性遗传关系复杂，人们提出了很多假说对其进行解释。Edwardson的 “二型假说”将雄性不育分为2种类型：一是细胞核雄性不育（genic male sterility，GMS），由核基因控制并遵循孟德尔遗传定律；二是细胞核与细胞质互作的雄性不育，也称细胞质雄性不育 （cytoplasmic male sterility，CMS）[10]。日本马上武彦提出大葱雄性不育是由胞质与两对隐性核基因互作控制的遗传模式[11]。张启沛等[4]发现该遗传模式不能完全解释育种中出现的保持系自交育性分离问题，于是提出了“胞质—多对核基因的数量效应”的假说。可以肯定的是，大葱的雄性不育是受胞质与核基因互作控制的。

2 大葱雄性不育的形态细胞学研究

2.1 大葱雄性不育的形态研究

大葱雄性不育株雄蕊的花丝较短，花药较小。1987年，张启沛等[4]对大葱不育株的器官进一步观察比较，认为可分为3种类型：常药型不育、瘦药型不育和短雄蕊型不育。大葱的雄性不育株有完全不育株和半不育株（嵌合性雄性不育），半不育株的出现主要受遗传、温度和种株营养状态的影响[12]。2014年，吴兰荣等[13]对不同败育程度的雄性不育系及正常可育材料20余份进行育性鉴定，发现12份雄性不育材料中有9份具有光温敏感性，说明大葱雄性不育材料具有光温敏感性的材料居多，但作用机理尚不明确。

2.2 大葱雄性不育的细胞学研究

日本西村米八在发现葱的雄性不育株后，对其进行了细胞组织学研究，认为小孢子在发育过程中受绒毡层增大细胞挤压而败育[10]。1991年，席湘媛[14]通过观察大葱不育系和可育系的花药和花粉的发育情况，认为大葱不育系花粉败育发生在单核小孢子期的早期。1992年，栾兆水等[7]用压片法对雄性不育大葱小孢子发生和雄配子体发育进行了详细观察，发现大葱雄性不育的小孢子发生过程基本正常，花粉败育始于小孢子单核中期和末期，期间有94.85%的花粉败育。2007年，王晓静等[15]利用石蜡切片法对大葱雄性不育系及保持系花药与花粉发育过程进行比较研究，发现雄性不育系的花粉败育发生于单核小孢子晚期，具有单核败育的特征，花粉败育不仅与绒毡层有关，还与中层细胞密切相关。冯大领等[16]通过对大葱不育系和保持系花药发育的研究，发现大葱不育系的花粉败育是绒毡层细胞的提早液泡化并解体或者是绒毡层细胞内的原生质浓度低，无明显的多核现象而引起花粉粒败育；另外在单核花粉粒至成熟花粉粒发育过程中，有些花药的药隔细胞纤维化，阻碍了水分和营养物质的输送，从而引起花粉粒败育。而保持系的花药绒毡层细胞在单核花粉粒时期开始解体，一直到花粉粒成熟才逐渐消失。

3 大葱雄性不育的分子遗传学研究

大葱细胞质雄性不育的分子研究相对较少，盖树鹏等[17～20]用220个RAPD随机引物分析了大葱不育系和保持系的叶绿体DNA（cpDNA）和线粒体DNA（mtDNA），其中有5个引物在叶绿体或线粒体基因组中扩增出了多态性片段，可用于分子标记辅助育种，随后又把不稳定、误差比较大的RAPD分子标记转化为SCAR分子标记。2005年，日本学者利用AFLP、CAPS及SSR标记构建了第一张大葱的遗传图谱[21]。2013年，Wang等[22]用256个AFLP分子标记对9个大葱雄性不育细胞质与正常细胞质的mtDNA进行分子标记，筛选出了1条清晰的多态性AFLP带，可作为区分不育系和可育系的AFLP标记。AFLP标记成功地转化为一个序列特征的扩增区（SCAR）标记SCAR1，可用于区分雄性不育系和正常细胞质。2015年，Gao等[23]也筛选出了2个SCAR标记，用于区分大葱雄性不育株和可育株。2016年，张丹丹[24]以鞭杆葱不育系和保持系为材料，克隆了大葱线粒体基因atp6、atpA、nad9、nad5、orf192、orf111、orf100、mat-R全长； 通过序列对比，找出了鞭杆葱雄性线粒体基因不育系与保持系之间的差异；同时对这些基因进行了差异性表达分析。2019年，Liu等[25]利用转录组测序比较了不育系64-2与相应的保持系64-1之间的差异，以确定与雄性不育相关的基因和途径，试验表明，大葱雄性不育调控基因和途径可能与线粒体和细胞核有关。在此基础上，他们又对ATPase同工酶和atp酶活性进行了研究，发现ATP合成酶α亚基在雄性不育中特异表达，而且在不育系及其保持系中，atpA编码序列的全长是相同的，但在翻译的蛋白质中发现了导致氨基酸替换的单核苷酸多态性（SNPs），所以推测atpA基因参与了雄性不育的发育[26]。关于大葱花粉育性恢复基因染色体定位也有报道[27，28]。目前关于大葱雄性不育分子机制的研究报道较少，分子败育机制还不清楚。

4 大葱雄性不育的创制及应用

4.1 大葱雄性不育系的创制

开展大葱育种的国家主要是日本，始于20世纪80年代，大葱雄性不育系及杂种一代的选育则与中国同步。日本大葱一代杂种的普及率达90%[29]。20世纪80年代以前，中国以引种和混合选育的常规育种方式为主；80年代后开始杂交育种和雄性不育系的创制及应用。山东农业大学、辽宁农业科学院蔬菜研究所和石家庄市农林科学研究院等单位，利用自然群体中的雄性不育株，经过多代回交先后创制出大葱雄性不育系和保持系。2002年，佟成富等[30]创制了大葱不育系244A。2006年，陈立东等[31]创制了超早熟大葱雄性不育系603A、626A。2008年，袁瑞江等[32]在青叶1号大葱中选育出了雄性不育系08青601A；2019年，又创制了大葱雄性不育系353A[33]。

4.2 大葱雄性不育的育种

我国栽培大葱历史悠久，通过混合选择和母系选择育出了很多优良的地方品种和农家品种。然而大葱自交衰退严重，且综合性状优良的品种少，但其杂交优势明显。大葱雄性不育株发现后，许多科研人员发现和创制了优良雄性不育系，并利用雄性不育系杂交选育出很多优良品种。1999年，Kenichiro等[34，35]通过多代回交培育出了具有野生种（A.galanthumKar.et Kir.）细胞质的大葱雄性不育系，其可作为大葱商业化F1代杂交种制种的亲本。山东农业大学和山东章丘区农业农村局以章丘大葱中发现的雄性不育株为不育源，育成雄性不育系和相应的保持系，不育株率达95%，并利用雄性不育系配制了一些杂交组合，比对照增产15%以上[4]。2002年，辽宁省农业科学院以冬灵白大葱中发现的不育株为不育源，育成了不育株率和不育度均达100%的大葱雄性不育系，并配制了杂交种辽葱二号，产量优势明显[30]。魏星等[36]以日本大葱中发现的雄性不育株为不育源，筛选出耐抽薹雄性不育系和相应的保持系，不育株率99%以上，且杂交选配的农大夏葱1号抽薹晚、抗性好、产量高。袁瑞江等[32]利用三系杂交技术培育出的青杂2号可一年四季栽培，是青葱栽培的理想品种。随后，袁瑞江等[33]又以常规种青叶1号中发现的雄性不育株为不育源，育成了不育株率和不育度均接近100%的大葱雄性不育系，育成的杂交组合抗逆性和产量优势明显。李娜等[37]以章丘大梧桐中发现的不育株为不育源，育成了新型不育系63A和相应的保持系63B，以63A为母本与不同类型的自交系配制多个杂交组合，其杂交组合性状稳定，抗倒性强，是比较理想的春播品种。

5 大葱雄性不育研究展望

大葱育种研究较其他蔬菜起步晚，种质资源搜集保存的较少，遗传背景相对狭窄。大葱雄性不育的研究基础相对薄弱，不育系的开发研究和强优势杂交组合的配组有待进一步提高。为了更好地将雄性不育系应用在大葱杂交育种上，需要在以下几个方面加强研究。

5.1 雄性不育资源创制

科研人员应对大葱地方品种、农家品种或现有种质资源进行观察与筛选，以寻找天然不育材料；并尝试通过对种子诱变 （化学诱变或射线诱变）和基因工程等技术创制具有不同遗传基因的大葱不育源；同时重视利用远缘杂交等常规育种方式获得具有优良性状的不育系，从而获取理想的大葱雄性不育资源。

5.2 强优势组合选配

加强对雄性不育系遗传机制的研究，从品质、产量、抗性等农艺性状综合考虑，选择优良的保持系，对其不育系进行回交，改变不利性状，选出综合性状优良的不育系与表现良好的父本配组，并在亲本一般配合力高的基础上选择特殊配合力高的组合，以期获得更好的杂交组合。

5.3 加强雄性不育基础理论研究

随着植物基因组学和现代分子生物技术的快速发展，借助高通量测序平台，人们已经对大葱雄性不育分子筛选和转录组测序进行了研究[19，26]，但细胞质雄性不育系线粒体基因和核基因的互作模式、雄性不育基因的鉴定和功能分析等基础研究和不育标记的开发等工作还远远不够。另外，不育性的环境稳定性问题，也是限制不育性应用的一大障碍，应对雄性不育温敏特性进行系统深入的研究，尤其是温度调节育性开关机理的研究，以加快大葱雄性不育机理研究进展。